Qualifizierung des atmosphärischen Plasmaspritzprozesses für die Beschichtung (Coating) von Kupferstromsammlern (Copper) auf (Feststoff-)Batteriekomponenten
Laufzeit: 01.03.2025 – 31.08.2027
Forschungsziel
Das Projekt CoCoBatt untersucht die Eignung des atmosphärischen Plasmaspritzverfahrens zur Herstellung von Kupferstromsammlern für anodenfreie Feststoffbatterien (AFSSB). Ziel ist es, eine dünne Kupferschicht zerstörungsfrei auf keramischem Festelektrolyt abzuscheiden und einen optimierten Grenzflächenkontakt herzustellen, der eine wiederholte Abscheidung von Anodenmaterial ermöglicht. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Problematik des hohen mechanischen Drucks, der bei folienbasierten Verfahren auf die brüchige Elektrolytkeramik ausgeübt wird. Dieser führt häufig zu Rissen innerhalb der Keramik, die das Wachstum von Lithiumdendriten begünstigen. Diese Dendriten können die Zelle schnell durchdringen und zu einem Kurzschluss führen, was die Langzeitstabilität erheblich einschränkt. Das Plasmaspritzverfahren bietet eine druckarme Alternative, die die strukturelle Integrität des Separators erhält und gleichzeitig den Grenzflächenkontakt optimiert. Darüber hinaus analysiert das Projekt die Auswirkungen mechanischer Spannungen auf die Lebensdauer der Batterie sowie die Stabilität der Kupferschichten unter zyklischen Belastungen. Abschließend wird untersucht, ob durch beidseitige Beschichtung des Festelektrolyten eine symmetrische Zelle realisiert werden kann, ohne dass es zu Delamination oder mechanischem Versagen kommt. Das Plasmaspritzverfahren soll eine wirtschaftliche Großserienfertigung ermöglichen und die Leistung von Feststoffbatterien steigern. Gleichzeitig soll es kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) den Einstieg in die innovative Batterietechnologie erleichtern. Die Forschungsergebnisse werden in wissenschaftlichen Publikationen veröffentlicht und in enger Zusammenarbeit mit Projektpartnern praktisch umgesetzt.
CoCoBatt01IF23676N Demonstrator
Beschreibung
Das Projekt CoCoBatt untersucht die Eignung des atmosphärischen Plasmaspritzverfahrens zur Herstellung von Kupferstromsammlern für anodenfreie Feststoffbatterien (AFSSB).
Nutzen für KMU:
Der Einsatz des atmosphärischen Plasmabeschichtungsverfahren adressiert die technischen, ökonomischen und ökologischen Engpässe zur Herstellung einer anodenfreien Feststoffbatterie. KMUs können mit der Investition in ein Plasmabeschichtungssystem einen Prozessschritt mit hoher Wertschöpfung durchführen, ohne in für sie unerschwingliche Batterieproduktionsstraßen, Kathodenmateriallabore oder komplette Zellfertigungen investieren zu müssen. Vielmehr konzentriert sich das Projekt auf einen definierten Prozessschritt, der klar wirtschaftlich und örtlich von der Herstellung einer Vollzelle abgegrenzt werden kann. Nach dem Beschichtungsvorgang ist noch kein metallisches Lithium oder Natrium im Halbzeug (Festelektrolytische Keramik plasmabeschichtet mit Kupferstromsammler) vorhanden. Dadurch ist das Halbzeug eingeschweißt in großer Menge lagerbar, und kann an einen Endnutzer oder Prozessierer weiterverkauft werden. Das Projekt behandelt die Anodenseite einer Batterie. Nach dem Prozessschritt ist das Verfahren kathodenunabhängig und erlaubt einem Endnutzer eine beliebige Kathode auf die Rückseite des beschichteten Elektrolyten aufzubringen, wodurch sich der Abnehmermarkt vergrößert. Es besteht in der Literatur allgemein der Wunsch, dass auf der Anodenseite einer Feststoffbatterie metallisches Lithium oder Natrium abgeschieden
werden kann [5]. Die Produktion einer Batteriekathode verfügt über eine wesentlich größere Anzahl von Variablen: Die Zellchemie und deren exakte Synthese und die Herstellung speziell geformter Kathodenpartikel, welche durch die Auswahl geeigneter Basispartikel beeinflusst werden. Deren Form, Größenverteilung, Sinterdauer und Temperaturschritte, sowie Beschichtung mit geeigneter Beschichtungspaste beeinflussen die Eigenschaften der Kathodenpartikel. Darauf folgt die Auswahl geeigneter Elektrolyte. Dies sind Prozesse, die nur von großen Industriekonzernen, wie in Europa etwa in naher Zukunft von der BASF in Schwarzheide für die Kathodenmaterialherstellung und der anschließenden Zellfertigung von AutomobilOEMs, beherrschbar sind. Das Projekt CoCoBatt bietet einem KMU die Möglichkeit,
an einem Technologiesprung innerhalb der Batterieentwicklung und –produktion arbeiten zu können, ohne den Kapitaleinsatz stemmen zu müssen, wie er für gewöhnlich nur von international agierenden Aktiengesellschaften tragbar ist. Da der Stromsammler mit geringem anlagen- und prozesstechnischem Aufwand herstellbar ist, sofern die Parameter und Prozessfenster – welche in diesem Projekt ermittelt werden sollen – bekannt sind. Zudem muss die Plasmabeschichtungsanlage nicht auf ein bestimmtes Keramikmaterial oder eine Substratgeometrie ausgelegt werden, sondern ist bei entsprechender Konfiguration für groß- und kleinflächige Beschichtungen bzw. auch für die Groß- und Kleinserienfertigung durch die Adaption des Werkstückträgers einsetzbar.
Forschungsinstitute und Kontaktpersonen
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FAU Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik
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